Nanofiberler

İlk defa 1974’te Norio Taniguchi tarafından kullanılan nanoteknoloji kavramı, nano boyutta yapılan mühendislik ve teknoloji çalışmalarının tamamını kapsar. Günümüzde biyoloji, eczacılık, fizik, kimya, tıp, uzay gibi pek çok farklı alanda nanoteknolojideki gelişmelerden yararlanılmaktadır. Özellikle sağlık alanında nano ölçekli geliştirilen ilaç taşıyıcı sistemler ile var olan ilaçların etkinliklerinin artırılmasında, vücutta moleküler ölçekte müdahale edilmesinin gerekli olduğu durumlarda, teşhis ve tedavinin daha etkin sağlanmasında nanoteknolojinin faydalarından yararlanılmaktadır.

Çapları 1 ile 1000 nm arasında değişebilen, polimerler kullanılarak üretilen, saç teline benzeyen ilaç taşıyıcı sistemlere nanofiber denir.  

İki bileşenli ekstrüzyon, şablon sentezi, kendi kendine montaj, faz ayırma, eriyik üfleme, çekme elektroeğirme ve basınçlı dönme tekniği en çok tercih edilen nanofiber üretim tekniklerindendir.

Nanofiberler; geniş yüzey alanı/hacim oranı, esneklik, küçük çap ve kontrol edilebilir gözenek boyutu, yüksek kıvrımlılık, yüksek geçirgenlik, biyouyumluluk, biyobozunurluk, kolay işlevselleştirme, malzeme kombinasyonuna olanak sağlama, hidrofilik ya da hidrofobik özellikte olabilme, nispeten düşük maliyete ve seri üretim kapasitesine sahip olma gibi özelliklere sahiptir. 

Doku mühendisliği; biyoaktif bileşenler ve kök hücreleri kullanarak işlevsel olmayan doku ve organları yeniden oluşturmak veya değiştirmek ile uğraşan bir mühendislik alanıdır. Kontrollü bir bozunma oranı doku mühendisliği çalışmaları için oldukça önemlidir. Tedavi amaçlı geliştirilen iskele, yeni rejenere dokuların geliştiği süre içinde bozulmalıdır. Fiberler; ekstraselüler matrikse benzerlikleri, oksijen ve besin maddelerinin dolaşımının yanı sıra metabolik atıkların uzaklaştırılmasına olanak sağlamaları, dokuların yüzeylerine uygun kimyaları, birbirine bağlı gözenekli ağ yapıları, hücrelerin prolifere olmalarına uygun yüksek gözenekliliğe ve yüzey alanı/hacim oranına sahip olmaları, yüksek ilaç yükleme kapasiteleri ve uygun mekanik güce sahip olmaları ile dokunun veya organın taklit edilmesinde oldukça ilgi gören ve üzerine çalışmalar yapılan bir ilaç taşıyıcı sistemdir. Bunlarla birlikte büyüme faktörleri, ilaçlar, peptitler, sitokinler ve diğer biyoaktif moleküllerle yüzeyi işlevselleştirilmiş nanofiberler doku mühendisliğinde yapılan çalışmalarda daha iyi tedavi sonuçları umut vadetmektedir. Böylece hedeflemenin sağlanmasında, doku yenilenmesinin hızlandırılmasında, inflamasyon seviyesinin kontrol edilmesinde ve vaskülarizasyonun geliştirilmesinde oldukça etkin rol oynamaktadır. Tüm bu avantajlarıyla doku mühendisliği uygulamalarında deri, kemik, kıkırdak, kalp, sinir, damar, tendon ve bağ gibi çeşitli doku tiplerinde nanofiberler üzerinde çalışılmaya devam edilmektedir. 

İlaç taşıyıcı sistem olarak nanofiberler antibiyotikler, antioksidanlar, antitümör, antiinflamatuvar, antidiyabetik, anti-Alzheimer ilaçların yanı sıra proteinler, antibakteriyel peptitler ve DNA'lar gibi biyomakromoleküller ve bitki ekstreleri de dahil olmak üzere çok çeşitli terapötik maddelerin kapsüllenmesinde kullanılabilirler. Bu çok yönlülük, nanofiberlerin çok çeşitli terapötik amaçlar için kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Nanofiberlerin ilaç dağıtım sistemlerindeki uygulamaları, yüksek ilaç yükleme kapasiteleri, kontrollü ilaç salım profilleri ve ilaçların nanofiberler sayesinde artan biyoyararlanım ve azalan yan etkileri ile hızla genişlemektedir. Fiber içerisine enkapsüllenen ilaçların fiberlerden salınım oranı ve hızı fiberlerin bozunma hızına, şişme davranışına, gözenekliliğine ve çapınına bağlı olarak değişmektedir. Bu sebeple fiber üretiminde kullanılacak polimer solüsyonunun fiziksel parametreleri ve seçilen fiber üretim tekniğinin parametreleri değiştirilerek ilaç salınma hız ve oranı ayarlanabilir. 

Fiberlerin en popüler kullanım alanlarından biri de yara iyileşmesidir. Yaralar iyileşme sürelerine göre akut ve kronik olarak ikiye ayrılabilir. Ameliyat yaraları ya da bıçak kesikleri çabuk iyileşen akut yaralara örnek iken diyabetik ayak ülseri ise kronik bir yaradır ve iyileşmesi zordur. Kronik yaralar, enfeksiyon kapma ve iltihaplanma eğiliminde olduklarından yara iyileşme sürecindeki zorluklar tıp alanı için önemli bir sorundur. Yaraya yapılan pansuman enfeksiyona karşı koruyucu bir bariyer görevi görür, yara iyileşmesini hızlandırır. Bandajlar ve gazlı bezler, yaranın durumuna bağlı olarak enfeksiyon riskini en aza indirmede ve patojenlere karşı bir dereceye kadar korumada etkin olsalar da kapsamlı enfeksiyon koruması sağlamada, yara iyileşme ortamını optimize etmede ve yara onarım sürecini desteklemede çok etkin değillerdir. Ancak nanofiberlerin yara iyileşmesindeki kullanımıyla yaranın dış etkenlere karşı etkili bir şekilde izole edilmesi, bakteriyel enfeksiyonlarına karşı korunması, yara yüzeyinden eksudaların emilmesi, gaz geçirgenliği, uygun nemli bir ortam sağlanması, antiinflamatuvar etkinin gösterilmesi, yaralı dokunun yenilenmesi için hücre çoğalmasını hızlandıran uygun koşulların oluşturulması ve iyileşme sürecinin hızlandırılması sağlanmaktadır. Ayrıca, ağır yaraların tedavisinde kullanılan kök hücre ile tedavide nanofiberlerin kullanımıyla artan doku rejenerasyonu umut vericidir. Bununla birlikte hücrelerin nanofibelerin yüzeyine tutunmasını, nanofiberlerin yüzeyinde çoğalmasını ve nanofiberlerin ağsı yapılarının içine sızmasını teşvik etmek için nanofiber üretiminde kullanılan sentetik polimerlerle birlikte hidrofilik doğal polimerler ve özellikle de yara onarımı artırmak için cilt dokusunda bulunan kollajen, hyaluronik asit ve fibronektin gibi maddeler tercih edilmektedir.

Santral sinir sistemi hastalıklarının (Alzheimer hastalığı, epilepsi, Parkinson gibi) tedavisinde en çok zorlanılan nokta kan beyin bariyeridir (KBB). KBB seçici geçirgen bir bariyerdir ve inflamasyon, hastalık etkeni, ksenobiyotik, terapötik ve patojenlerin beyne girişini engellerken düşük molekül ağırlığına (<500 Da) sahip lipofilik moleküllerin geçişine izin verir. Bu sebeple günümüzde tercih edilen tedavi stratejilerinin yüksek molekül ağırlıkları, düşük hedeflendirme yetenekleri sebebiyle tedavilerde istenilen başarı elde edilememektedir. Nanoteknolojideki gelişmelerle birlikte nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesiyle KBB’yi aşmadaki problemlerin üstesinden gelinmiştir. Nanofiberler sahip oldukları nano çaplar ile santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisinde etkili olmaktadır. Bununla birlikte fiberlerin içerisine ilaç yüklü nanopartiküller de gömülebilmektedir. Nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemler direkt veya indirekt hedeflendirme teknikleriyle KBB’ye, nöronlara ya da beyindeki özel başka spesifik bölgelere hedeflendirilebilmektedir. Böylece ilaçlar nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemlere yüklenerek ilaçların biyoyararlanımı artırılıp hedeflenen bölgeye ulaşması sağlanıp düşük doz ve dozlama sayısıyla tedavide yüksek etkinlik sağlanabilmektedir. Transdermal, sublingual, oral ilaç uygulama yollarıyla oldukça efektif, kolay, hasta uyuncu artırılmış ve nispeten ucuz bir tedavi stratejisi sağlanmaktadır.

Atmosferdeki hava içerisinde virüs, bakteri, mantar, polen gibi çok çeşitli biyoaerosoller bulunmakta ve bu biyoaerosoller alerji, bulaşıcı hastalık, KOAH, astım gibi solunum sistemi hastalıkları, kanser gibi birçok sağlık problemine sebep olabilmektedir. Düşük çökelme hızları ve sahip oldukları küçük çapları, bu parçacıkların diğer aerosollere göre atmosferde daha uzun süre kalmasına sebep olmaktadır. Şu anda nanofiberlerin filtrasyonda kullanılması hava kirleticilerine karşı en etkili fiziksel yaklaşım olarak düşünülmektedir. Nanofiber membranlar hava kirleticilerin çoğunu yakalayabilir ve yüksek verim gösterebilir.

Nanofiberlerin sahip olduğu yüksek ilaç yükleme kapasiteleri, biyobozunur olmaları, birden fazla sayıda tabakada üretebilmeleri, farklı ilaçları farklı tabakalarda enkapsüllenebilmeleri, ilaç salım profillerinin üretimleri sırasında kullanılan polimerlerin kimyasal yapılarına bağlı olarak ayarlanabilmesi kozmetik sektöründe de nanofiberlerin tercih edilmesini sağlamıştır. Cildi yaşlanmaya karşı koruma, nemlendirme, sıkılaştırma, canlandırma, kuru çizgi ve kırışıklıkları gidermek için A vitamini, hyaluronik asit, kolajen, c vitamini, resveratrol gibi ilaç yüklenmiş nanofiberler gözaltı ve yüz maskesi olarak üretilmeye başlanmıştır. Böylece ilaçların artan biyoyararlanımlarıyla birlikte daha etkili bir cilt bakımı sağlamaları beklenmektedir.